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CN113237834B - 基于光自旋霍尔效应的手性分子手性分辨装置及方法 - Google Patents

基于光自旋霍尔效应的手性分子手性分辨装置及方法 Download PDF

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CN113237834B
CN113237834B CN202110772342.5A CN202110772342A CN113237834B CN 113237834 B CN113237834 B CN 113237834B CN 202110772342 A CN202110772342 A CN 202110772342A CN 113237834 B CN113237834 B CN 113237834B
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Abstract

本发明提供了一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性分辨装置及方法，属于光学技术领域，该装置包括依次设置的激光器、光阑、半波片、第一透镜、第一格兰偏振镜、比色皿、薄膜SiO2‑YIG‑CeYIG、第二格兰偏振镜、第二透镜以及激光光束分析仪CCD。本发明能够进行直接地、快速地、简便地进行手性分子的手性分辨，能够利用较低浓度的手性分子溶液来进行手性的分辨。

Description

基于光自旋霍尔效应的手性分子手性分辨装置及方法
技术领域
本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性分辨装置及方法。
背景技术
手性分子的识别和传感在药理学、生物学、化学等领域都有巨大的研究意义，引起人们的广泛关注。在之前的研究中发现大多的DNA和蛋白质都是手性分子，同时因为它们与偏振光相互作用会使偏振面产生旋转且方向不同，所以将这两种异构体叫做L-左旋和D-右旋，我们可以通过手性的检测来辨别其分子的空间结构。比如手性分子的传感在药理学上的应用，“反应停”事件就是典型的例子，该手性分子一种异构体有镇静作用而另一种异构体却对胚胎有致畸的危害，当时造成出生了大量的畸形婴儿，此事件引起全世界的轩然大波。而且手性药物包括农药、兽药已经成为未来制药领域的必然趋势，手性药物的销售量已然不容小觑，所以手性分子的识别和传感的研究是十分迫切和重要的。用光学手段检测手性分子的方法有很多，目前使用较多的为圆二色性、旋光性、荧光传感器等。近年来随着弱测量技术和光自旋霍尔效应的发展，该技术广泛应用于折射率传感、石墨烯厚度的测量、光场调控等方面，能够进行实时的、高灵敏度的对未知微小位移进行检测。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性分辨装置及方法，能够进行直接地、快速地、简便地进行手性分子的手性分辨。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性分辨装置，包括依次设置的激光器、光阑、半波片、第一透镜、第一格兰偏振镜、比色皿、薄膜SiO2-YIG-CeYIG、第二格兰偏振镜、第二透镜以及激光光束分析仪CCD；
利用激光器发出波长为632.8纳米的激光；利用光阑限制激光的杂散光；利用半波片调节经限制杂散光后的激光光强；利用第一透镜聚焦激光光束，并通过第一格兰偏振镜对激光光束进行预选，将经预选的激光光束通过装有手性溶液的比色皿照射至薄膜SiO2-YIG-CeYIG上进行全反射，耦合得到自旋分裂；通过第二格兰偏振镜以及第二透镜使自旋分裂后激光的各单独分量发生干涉，放大观测量，并利用激光光束分析仪CCD进行光斑显示以及位移读取。
进一步地，所述薄膜SiO2-YIG-CeYIG为三层薄膜结构。
再进一步地，所述全反射的入射角为73°。
再进一步地，所述步骤S3中当激光器发出的激光为水平偏振的高斯光束时，所述高斯光束的角谱Ei表达式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，w0表示束腰宽度，kix、kiy分别为入射波矢的x分量和y分量。
再进一步地，所述步骤S3中激光器发出的激光入射至第一格兰偏振镜的偏振态
Figure DEST_PATH_IMAGE002
的表达式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示两个本征的量子态。
再进一步地，所述步骤S5中当激光光束通过比色皿后，所述手性分子手性分辨装置的初态
Figure DEST_PATH_IMAGE006
的表达式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
表示手性溶液的旋光角，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
表示水平偏振态，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示垂直偏振态。
再进一步地，所述步骤S5中位移<y>的表达式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
Figure DEST_PATH_IMAGE013
Figure DEST_PATH_IMAGE014
Figure DEST_PATH_IMAGE015
Figure DEST_PATH_IMAGE017
Figure DEST_PATH_IMAGE019
其中， z表示第二透镜的有效焦距，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
表示瑞利距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
表示旋光角，k表示波矢，W0表示束腰半径，rs表示s偏振光反射系数，rp表示p偏振光反射系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
表示水平偏振光在界面反射所产生的光，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
表示水平偏振光在界面反射所产生的光，R0表示光束的瑞利距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
表示入射角。
本发明还提供了一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性分辨方法，包括以下步骤：
S1、利用超声波溶解待测样品；
S2、利用超声波洗净薄膜SiO2-YIG-CeYIG，并利用折射率匹配液将薄膜SiO2-YIG-CeYIG黏在起支撑作用的棱镜上面；
S3、开启激光器，并利用光阑限制激光器发出的激光，以及利用半波片调节经限制杂散光后的激光光强；
S4、利用第一透镜聚焦激光光束，并通过第一格兰偏振镜对激光光束进行预选，将经预选的激光光束通过装有去离子水的比色皿照射至薄膜SiO2-YIG-CeYIG上进行全反射，耦合得到自旋分裂；
S5、通过第二格兰偏振镜以及第二透镜使自旋分裂后激光的各单独分量发生干涉，放大观测量，并利用激光光束分析仪CCD呈现对称且无杂斑的两个光斑，并记录该时刻的纵坐标，以及将所述纵坐标视为零点；
S6、利用移液器将去离子水从比色皿中吸出，并利用移液器放入待测手性溶液；
S7、在比色皿中加入待测手性溶液，并利用激光光束分析仪CCD进行光斑显示以及读取纵坐标位移。。
本发明的有益效果：
（1）本发明能够利用较低浓度的手性分子溶液来进行手性的分辨。利用光自旋霍尔效应装置，将装有未知手性的手性分子溶液的比色皿置于前选择格兰偏振镜之后。利用光自旋霍尔效应为指针，当未放置待测溶液时，调试最初的光斑为对称光斑，设初始位移为0；当加入待测溶液时，光斑将会向某一方倾斜，光斑将不再对称，此时的位移将为正或负。对于所用的激光光束分析仪CCD，当光斑向上倾斜时代表为其手性为右旋（D型），此时的位移为正，当光斑向下倾斜时代表为其手性为左旋（L型），此时的位移为负。加入该CEYIG薄膜能够增强其灵敏度，能够更好的进行手性的分辨。
（2）本发明利用一种基于光自旋霍尔效应的调控装置进行手性溶液的手性分辨，利用该氧化物薄膜能够提高其灵敏度，能更好的进行手性分辨。
（3）本发明通过简单观测激光光束分析仪CCD上面的光斑变化就能分辨该手性分子的手性。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图。
图2为本发明的方法流程图。
其中，1-激光器，2-光阑，3-半波片，4-第一透镜，5-第一格兰偏振镜，6-比色皿，7-薄膜SiO2-YIG-CeYIG，8-第二格兰偏振镜，9-第二透镜，10-激光光束分析仪CCD。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
用光学手段检测手性分子的方法有很多，目前使用较多的为圆二色性、旋光性、荧光传感器、质谱法、色谱法等。最近也提出了通过设计复杂的超表面结构来进行手性分子的识别和传感。但是目前超表面做出样品的技术尚未成熟，荧光传感器存在破坏手性分子内部结构的可能。旋光性是手性分子识别和传感的有效方法之一，同时目前实验室的标准旋光计的精度小于0.001°，但传统的方法不容易实现旋光性的检测。对于低浓度的手性溶液，采用现有的光学设备难以直接进行测量，传统的测量方法受环境因素的影响，其测量精度和噪声差不多，难以提高测量精度了。
有鉴于此，如图1所示，本发明提供了一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性分辨装置，包括依次设置的激光器1、光阑2、半波片3、第一透镜4、第一格兰偏振镜5、比色皿6、薄膜SiO2-YIG-CeYIG7、第二格兰偏振镜8、第二透镜9以及激光光束分析仪CCD10。
本实施例中，利用激光器1发出波长为632.8纳米的激光；利用光阑2限制激光的杂散光；利用半波片3调节经限制杂散光后的激光光强；利用第一透镜4聚焦激光光束，并通过第一格兰偏振镜5对激光光束进行预选，将经预选的激光光束通过装有手性溶液的比色皿6照射至薄膜SiO2-YIG-CeYIG7上进行全反射，耦合得到自旋分裂；通过第二格兰偏振镜8以及第二透镜9使自旋分裂后激光的各单独分量发生干涉，放大观测量，然后利用激光光束分析仪CCD10进行光斑显示以及位移读取。
本实施例中，所述薄膜SiO2-YIG-CeYIG7为三层薄膜结构，其通过脉冲激光沉积法（PLD）制成的。将Y2O3（Alfa-Aesar，纯度99.99%）、CeO2（Alfa-Aesar，纯度99.99%）和Fe2O3（Alfa-Aesar，纯度99.945%）粉末通过标准固相反应法获得Y3Fe5O12（YIG）和Ce1Y2Fe5O12（CeYIG）陶瓷靶材。激光源为工作波长248nm的Complex Pro 205 KrF激光器。由于晶格失配较大，CeYIG在二氧化硅衬底上难以结晶，因此需要先将30nm厚的YIG薄膜沉积在二氧化硅衬底上作为种子层。在沉积YIG之前，需将腔室抽真空至5×10-7mbar的基压，靶-基距离为5.5cm。在沉积过程中，衬底温度保持在400℃，将分压为6.7×10-3mbar的氧气泵入沉积室。沉积YIG后，在氧分压为2.66mbar的环境中，快速热退火（RTA）至800℃使YIG薄膜结晶3min，然后在650℃的衬底温度下在YIG种子层上沉积CeYIG薄膜，此时氧分压保持在1.33×10-2mbar。沉积CeYIG后，薄膜在沉积温度下保持原位30分钟，然后以5℃/min的速率冷却。这样设计的SiO2-YIG-CeYIG三层薄膜结构就制成了。
由于制作工艺原因，首先需要在二氧化硅衬底上沉积30nm厚的YIG。之后YIG作为种子层，于其上再沉积所需厚度的CeYIG薄膜（通常为数十纳米）。因此，可确定为SiO2-YIG-CeYIG的三层薄膜结构。当入射光波长为632.8nm时，二氧化硅衬底折射率为1.45，厚度约为1mm；YIG磁光效应微弱可视为非磁光材料，折射率为2.38，厚度为30nm；CeYIG的介电常数三阶矩阵的主对角元为
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，非主对角元为
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，厚度为56nm。
当入射光为水平偏振的高斯光束，其角谱可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
其中，束腰宽度为w0，kix, kiy分别为入射波矢的x分量和y分量。
当入射到格兰偏振镜后其出射光的偏振态为：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
假设手性溶液的旋光角为a，透过手性溶液后其系统的态为：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
在薄膜界面反射后其产生SHEL，其berry几何相位为
Figure DEST_PATH_IMAGE035
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为自旋分裂，自旋算符
Figure DEST_PATH_IMAGE037
。其后选择态为
Figure DEST_PATH_IMAGE039
，则根据弱值的表达式：
Figure DEST_PATH_IMAGE040
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
，Aw表示光子自旋的弱值，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
表示系统的可观测量。
所以本申请由几何光学的计算可得到该弱测量系统的放大光束位移：
Figure DEST_PATH_IMAGE043
其中，z为第二透镜的有效焦距；
Figure DEST_PATH_IMAGE044
，根据公式可以得到加入薄膜后，手性溶液的浓度和自旋位移的关系，当放置浓度不同的样品溶液时就会有不同的放大的光束位移值，根据激光光束分析仪CCD上得到的位移值来判断出该样品溶液的手性。
如图2所示，本发明提供了一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性分辨方法，包括以下步骤：
S1、利用超声波溶解待测样品；
S2、利用超声波洗净薄膜SiO2-YIG-CeYIG，并利用折射率匹配液将薄膜SiO2-YIG-CeYIG黏在起支撑作用的棱镜上面；
S3、开启激光器，并利用光阑限制激光器发出的激光，以及利用半波片调节经限制杂散光后的激光光强；
S4、利用第一透镜聚焦激光光束，并通过第一格兰偏振镜对激光光束进行预选，将经预选的激光光束通过装有去离子水的比色皿照射至薄膜SiO2-YIG-CeYIG上进行全反射，耦合得到自旋分裂；
S5、通过第二格兰偏振镜以及第二透镜使自旋分裂后激光的各单独分量发生干涉，放大观测量，并利用激光光束分析仪CCD呈现对称且无杂斑的两个光斑，并记录该时刻的纵坐标，以及将所述纵坐标视为零点；
S6、利用移液器将去离子水从比色皿中吸出，并利用移液器放入待测手性溶液；
S7、在比色皿中加入待测手性溶液，并利用激光光束分析仪CCD进行光斑显示以及读取纵坐标位移，在比色皿中加入待测手性溶液，此时对称光斑将变得不对称，纵坐标也将变化。例如本次实验的激光光束分析仪CCD，右旋光斑上移坐标为正，左旋光斑下移坐标为负。
本发明通过以上设计，能够利用较低浓度的手性分子溶液来进行手性的分辨。利用光自旋霍尔效应装置，将装有未知手性的手性分子溶液的比色皿置于前选择格兰偏振镜和棱镜之间。利用光自旋霍尔效应为指针，当未放置待测溶液时，调试最初的光斑为对称光斑，设初始位移为0；当加入待测溶液时，光斑将会向某一方倾斜，光斑将不再对称，此时的位移将为正或负。对于我们所用的激光光束分析仪CCD，当光斑向上倾斜时代表为其手性为右旋（D型），此时的位移为正，当光斑向下倾斜时代表为其手性为左旋（L型），此时的位移为负。并且相对于空棱镜，加入该CEYIG薄膜能够增强其灵敏度，能够更好的进行手性的分辨。

Claims (8)

1.一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性分辨装置，其特征在于，包括依次设置的激光器（1）、光阑（2）、半波片（3）、第一透镜（4）、第一格兰偏振镜（5）、比色皿（6）、薄膜SiO2-YIG-CeYIG（7）、第二格兰偏振镜（8）、第二透镜（9）以及激光光束分析仪CCD（10）；
利用激光器（1）发出波长为632.8纳米的激光；利用光阑（2）限制激光的杂散光；利用半波片（3）调节经限制杂散光后的激光光强；利用第一透镜（4）聚焦激光光束，并通过第一格兰偏振镜（5）对激光光束进行预选，将经预选的激光光束通过装有手性溶液的比色皿（6）照射至薄膜SiO2-YIG-CeYIG（7）上进行全反射，耦合得到自旋分裂；通过第二格兰偏振镜（8）以及第二透镜（9）使自旋分裂后激光的各单独分量发生干涉，放大观测量，并利用激光光束分析仪CCD（10）进行光斑显示以及光斑位移读取。
2.根据权利要求1所述的基于光自旋霍尔效应的手性分子手性分辨装置，其特征在于，所述薄膜SiO2-YIG-CeYIG（7）为三层薄膜结构。
3.根据权利要求1所述的基于光自旋霍尔效应的手性分子手性分辨装置，其特征在于，所述全反射的入射角为73°。
4.根据权利要求1所述的基于光自旋霍尔效应的手性分子手性分辨装置，其特征在于，所述激光器发出的激光为水平偏振的高斯光束，所述高斯光束的角谱Ei表达式如下：
Figure 77749DEST_PATH_IMAGE001
其中，w0表示束腰宽度，kix、kiy分别为入射波矢的x分量和y分量。
5.根据权利要求1所述的基于光自旋霍尔效应的手性分子手性分辨装置，其特征在于，所述激光器发出的激光入射至第一格兰偏振镜的偏振态
Figure 695812DEST_PATH_IMAGE002
的表达式如下：
Figure 841622DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 887681DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 573877DEST_PATH_IMAGE005
表示两个本征的量子态。
6.根据权利要求1所述的基于光自旋霍尔效应的手性分子手性分辨装置，其特征在于，所述激光光束通过比色皿后，所述手性分子手性分辨装置的初态
Figure 249709DEST_PATH_IMAGE006
的表达式如下：
Figure 956634DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 147444DEST_PATH_IMAGE008
表示手性溶液的旋光角，
Figure 575014DEST_PATH_IMAGE009
表示水平偏振态，
Figure 229986DEST_PATH_IMAGE010
表示垂直偏振态。
7.根据权利要求4所述的基于光自旋霍尔效应的手性分子手性分辨装置，其特征在于，所述光斑位移的表达式如下：
Figure 779916DEST_PATH_IMAGE011
Figure 395706DEST_PATH_IMAGE012
Figure 17180DEST_PATH_IMAGE013
Figure 464342DEST_PATH_IMAGE014
Figure 857277DEST_PATH_IMAGE015
Figure 350575DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 182265DEST_PATH_IMAGE017
表示光斑位移，z表示第二透镜的有效焦距，
Figure 687195DEST_PATH_IMAGE018
表示瑞利距离，
Figure 313349DEST_PATH_IMAGE019
表示旋光角，k表示波矢，W0表示束腰半径，rs表示s偏振光反射系数，rp表示p偏振光反射系数，
Figure 293943DEST_PATH_IMAGE020
表示水平偏振光在界面反射所产生的光，
Figure 867007DEST_PATH_IMAGE021
表示水平偏振光在界面反射所产生的光，R0表示光束的瑞利距离，
Figure 23182DEST_PATH_IMAGE022
表示入射角。
8.一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性分辨方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用超声波溶解待测样品；
S2、利用超声波洗净薄膜SiO2-YIG-CeYIG，并利用折射率匹配液将薄膜SiO2-YIG-CeYIG黏在起支撑作用的棱镜上面；
S3、开启激光器，并利用光阑限制激光器发出的激光，以及利用半波片调节经限制杂散光后的激光光强；
S4、利用第一透镜聚焦激光光束，并通过第一格兰偏振镜对激光光束进行预选，将经预选的激光光束通过装有去离子水的比色皿照射至薄膜SiO2-YIG-CeYIG上进行全反射，耦合得到自旋分裂；
S5、通过第二格兰偏振镜以及第二透镜使自旋分裂后激光的各单独分量发生干涉，放大观测量，并利用激光光束分析仪CCD呈现对称且无杂斑的两个光斑，并记录该时刻的纵坐标，以及将所述纵坐标视为零点；
S6、利用移液器将去离子水从比色皿中吸出，并利用移液器放入待测手性溶液；
S7、在比色皿中加入待测手性溶液，并利用激光光束分析仪CCD进行光斑显示以及读取纵坐标位移；
其中，光斑位移的表达式如下：
Figure 413712DEST_PATH_IMAGE023
Figure 225810DEST_PATH_IMAGE024
Figure 664882DEST_PATH_IMAGE013
Figure 269038DEST_PATH_IMAGE025
Figure 440257DEST_PATH_IMAGE026
Figure 801968DEST_PATH_IMAGE027
其中，
Figure 109977DEST_PATH_IMAGE028
表示光斑位移，z表示第二透镜的有效焦距，
Figure 178427DEST_PATH_IMAGE018
表示瑞利距离，
Figure 582864DEST_PATH_IMAGE019
表示旋光角，k表示波矢，W0表示束腰半径，rs表示s偏振光反射系数，rp表示p偏振光反射系数，
Figure 759767DEST_PATH_IMAGE020
表示水平偏振光在界面反射所产生的光，
Figure 212745DEST_PATH_IMAGE021
表示水平偏振光在界面反射所产生的光，R0表示光束的瑞利距离，
Figure 463598DEST_PATH_IMAGE022
表示入射角。
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